CN107671878A - 一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，包括软体抓手本体和静电吸附电极，所述静电吸附电极为柔性电极并贴附固定于软体抓手本体的抓握面；所述软体抓手本体为鳍条式抓手，该结构可实现对物体的自适应包覆式紧密贴合，通过给静电吸附电极施加电压能使软体抓手与被吸附物体表面之间产生静电吸附力。将软体抓手与静电吸附技术结合在一起，既能依靠静电吸附力来吸附物体，又能依靠软体抓手对物体的表面紧密贴合产生的夹持力来抓取物体，达到同时运用夹持力和静电吸附力来抓取物体，实现对不同形状大小物体的适应性抓取。

Description

一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手

技术领域

本发明涉及机械手领域，具体涉及一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手。

背景技术

近年来，应用软材料设计制造的软体手引起了国内外学者和机构的广泛关注，并受到了持续的研究，这为从本质上解决刚性操作手和人以及环境交互性差、复杂环境适应性差、不灵活等问题提供了全新的思路和方向。软体手充分利用和发挥各种柔性材料包括橡胶、聚合物、智能材料、多功能材料等天然的柔顺性，及其非线性、粘弹性和迟滞特性等在软体手运动和控制中潜在的“机械智能”作用，从而降低控制的复杂度，实现高灵活性和良好交互性。而目前，大部分软体抓手对物体的拾取仍然靠的是抓手对物体的夹持力来实现，相比于刚性抓手，软体抓手对于物体的接触是柔性的，不易损坏被抓取物体。但是软体抓手毕竟是柔性材料，对物体的夹持不像刚性抓手那样牢固，容易发生脱落现象。而且由于软体抓手自身的局限性，被抓取物体的重量也同样受限制。

因此，为解决以上问题，需要一种静电吸附式软体抓手，其结构能够通过实现对不同形状大小物体的自适应贴合夹持，同时依靠静电吸附力来抓取物体，可以很大程度上改善目前机器人末端执行器的适应性和灵活性，大大提高抓取性能，抓取负载大且稳固性好，适用范围广。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，能够通过实现对不同形状大小物体的自适应贴合夹持，同时依靠静电吸附力来抓取物体，可以很大程度上改善机器人末端执行器的适应性和灵活性，大大提高抓取性能，抓取负载大且稳固性好，适用范围广。

本发明的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，包括软体抓手本体和静电吸附电极，所述静电吸附电极为柔性电极并贴附固定于软体抓手本体的抓握面；所述软体抓手本体为鳍条式抓手。

进一步，所述鳍条式抓手包括安装座、安装于安装座上呈环形且均匀间隔分布的多个鳍条式手指和用于驱动鳍条式手指张开及闭合的直线电机；所述鳍条式手指包括两块纵梁柔性板和设置于两块纵梁柔性板之间的底部横梁硬质板，所述两块纵梁柔性板和底部横梁硬质板呈等腰三角形连接，所述两块纵梁柔性板之间中间段沿纵向间隔设置有多个中间横梁硬质板，多个中间横梁硬质板以沿纵向由内到外递减的方式铰接于两块纵梁柔性板之间；所述底部横梁硬质板与安装座铰接，所述直线电机的驱动轴与底部横梁硬质板驱动配合，底部横梁硬质板在驱动轴的驱动下翻转并带动两块纵梁柔性板转动。

进一步，所述安装座上固定设置有用于安装底部横梁硬质板并沿竖向布置的固定块，所述固定块底部形成第一安装槽，所述底部横梁硬质板外侧端适形嵌入第一安装槽内并通过第一铰销铰接，所述底部横梁硬质板内侧通过连杆与直线电机的驱动轴传动连接实现底部横梁硬质板转动。

进一步，所述中间横梁硬质板为矩形板且中间横梁硬质板上位于横向两侧的侧面均设置有接头，接头为四个并分列于中间横梁硬质板的四个角，所述纵梁柔性板一体成型形成与接头分别对应的铰接支耳，所述铰接支耳上开设有与铰接销对应的铰接孔。

进一步，所述鳍条式手指为三个并呈环形均匀间隔分布，还包括与直线电机的驱动轴固定连接的驱动盘，所述连杆的一端嵌入底部横梁硬质板内侧上的第二安装槽中，且通过第二铰销铰接，另一端与驱动盘的径向外侧铰接。

进一步，所述驱动盘的外圆沿径向向内凹陷成第三安装槽，所述连杆的端部嵌入第三安装槽内，第三铰销穿过连杆且固定位于安装槽侧面的安装孔中，使连杆铰接于驱动盘。

进一步，多个中间横梁硬质板平行设置且当鳍条式手指竖直时中间横梁硬质板沿驱动盘径向由外到内向上倾斜设置。

进一步，所述两块纵梁柔性板底部之间还一体成型设置有底部连接软板，所述底部连接软板贴附并固定于底部横梁硬质板。

进一步，所述纵梁柔性板为内宽外窄的等腰梯形板。

进一步，所述静电吸附电极包括以鳍条式手指的抓握面为基底的基底层、绝缘层和置于基底层和绝缘层之间并用于使被吸附物体产生极化电场以进行吸附的梳齿状电极层，所述基底层和绝缘层材料均为硅橡胶，电极层材料为导电油墨，所述梳齿状电极层通过丝印的方式附在基底层表面

本发明的有益效果是：1、实现稳定且持续的静电吸附需要静电吸附膜与物体表面的紧密贴合，鳍条式手指对物体的自适应贴合机制为实现稳定且持续的静电吸附提供了前提保障；2、根据抓持对象的不同，静电吸附式软体抓手可由两个、三个、四个或者六个结构相同的鳍条式手指构成，最好不要超过六个。多个手指配合工作，可以有效包覆不同形状大小的目标物体，通过自身材料一定的刚性提供夹持力，同时依靠手指抓握面上的静电吸附膜产生的静电吸附力，完成对目标物体的“吸附式抓取”。本发明是将传统机械夹持力和静电吸附力同时作用到目标物体上，特别是在面对单一夹持力作用无法胜任的工况下，结合静电吸附可有效改善单一夹持力所面临的困境，实现对大小、形状、体积不一的不同物体的适应性抓取；3、静电吸附式鳍条式手指突破了常规的工艺和控制方法，采用了软体材料与硬质材料共同作用，仅通过直流丝杆电机，依靠鳍条式手指自身的结构特性就能实现手指对物体的自适应贴合，且突破了常规软体材料的驱动方式(气动、SMA、EAP等)。鳍条式手指的纵梁柔性板与底部连接板部分采用软体材料(根据需求不同可采用不同硬度的硅橡胶材料)一体成型浇铸而成，呈现出足够的柔性和一定的刚性，横梁部分采用硬质材料3D打印而成，整个手指外形经过合理的设计，具备很好的贴合性能。静电吸附电极通过丝印的方式附在鳍条式手指抓握面上，使之与鳍条式手指结为一体；电极材料采用导电油墨，导电油墨自身具有很强的鲁棒性，且对硅橡胶表面有着良好的附着效果，不会因为手指的弯曲变形导致电极材料的失效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的软体抓手张开状态示意图；

图3为本发明的软体抓手闭合状态示意图；

图4为本发明一种抓取状态结构示意图；

图5为本发明另一种抓取状态结构示意图；

图6为本发明的安装座结构示意图；

图7为本发明的驱动盘结构示意图；

图8为本发明的鳍条式手指侧面结构示意图。

图9为本发明的鳍条式手指电极结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的软体抓手张开状态示意图，图3为本发明的软体抓手闭合状态示意图，图4为本发明一种抓取状态的结构示意图，图5为本发明另一种抓取状态的结构示意图，图6为本发明的安装座的结构示意图，图7为本发明的驱动盘结构示意图，图8为本发明的鳍条式手指侧面结构示意图，图9为本发明的鳍条式手指电极结构示意图，如图所示：本实施例中的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，包括软体抓手本体和静电吸附电极，所述静电吸附电极为柔性电极并贴附固定于软体抓手本体的抓握面；所述软体抓手本体为鳍条式抓手，该结构可实现对物体的自适应包覆式紧密贴合，通过给静电吸附电极施加电压能使软体抓手与被吸附物体表面之间产生静电吸附力，将软体抓手与静电吸附技术结合在一起，既能依靠静电吸附力来吸附物体，又能依靠软体抓手对物体的表面紧密贴合产生的夹持力来抓取物体，达到同时运用夹持力和静电吸附力来抓取物体，实现对不同形状大小物体的适应性抓取。

本实施例中，所述鳍条式抓手包括安装座3、安装于安装座3上呈环形并别分布的多个鳍条式手指1和用于驱动鳍条式手指1弯曲的直线电机；所述鳍条式手指1包括两块纵梁柔性板11和设置于两块纵梁柔性板11之间的底部横梁硬质板12，所述两块纵梁柔性板11和底部横梁硬质板12呈等腰三角形连接，所述两块纵梁柔性板11之间中间段沿纵向间隔设置有多个中间横梁硬质板13，多个中间横梁硬质板13以沿纵向由内到外递减的方式铰接于两块纵梁柔性板11之间，内表示靠近抓握面的一侧，反之为外；所述底部横梁硬质板12与安装座铰接，所述直线电机的驱动轴51与底部横梁硬质板12驱动配合，底部横梁硬质板12在驱动轴51的驱动下翻转并带动两块纵梁柔性板11转动；所述鳍条式手指1在转动时，当其中内侧纵梁柔性板11(其内侧面为抓握面)受到一个点力时，引发的变形将导致整个鳍条式手指1的结构变形，使鳍条式手指1尖端朝着力反方向弯曲，使鳍条式手指1对物体产生一种包覆式的紧密贴合；底部横梁硬质板12和中间横梁硬质板13可采用硬质材料3D打印而成。

本实施例中，所述安装座3上固定设置有用于安装底部横梁硬质板12并沿竖向布置的固定块31，所述固定块31底部形成第一安装槽32，所述底部横梁硬质板12外侧端适形嵌入第一安装槽32内并通过第一铰销33铰接，所述底部横梁硬质板12内侧通过连杆21与直线电机的驱动轴51传动连接实现底部横梁硬质板12绕第一铰销33转动；安装座3的顶部形成基座盒，所述基座盒内设置有用于控制直流丝杆电机转动转速和角位移量的驱动器，所述基座盒内还设置有用于产生高电压的升压模块以作用于静电吸附电极，还包括与所述基座盒可拆卸连接的顶盖4，所述顶盖4上有导线通孔，用于所述升压模块和直流丝杆电机外接电源和控制器；所述控制器发出脉冲信号进入驱动器，由驱动器转换成直线电机所需要的电流信号带动直线电机运转，所述直线电机为直流丝杆电机。

本实施例中，所述中间横梁硬质板13为矩形板且中间横梁硬质板13上位于横向两侧的侧面均设置有接头14，接头14为四个并分列于中间横梁硬质板13的四个角，所述纵梁柔性板11一体成型形成与接头14分别对应的铰接支耳15，所述铰接支耳15上开设有与接头对应的铰接孔；利于中间横梁硬质板13安装稳定。

本实施例中，所述鳍条式手指1为三个并呈环形均匀间隔分布，还包括与直线电机的驱动轴51固定连接驱动盘2，所述连杆21的一端与底部横梁硬质板12内侧上的第二铰销铰接，底部横梁硬质板12内侧设置有用于安装连杆21的第二安装槽16；另一端与驱动盘2的径向外侧铰接；所述驱动盘2的外圆沿径向向内凹陷成第三安装槽22，所述连杆21的端部嵌入第三安装槽内22，第三铰销穿过连杆21且铰销的两端固定于第三安装槽侧面的安装孔27中，使连杆21铰接于驱动盘2；所述驱动盘2的端面位于第三安装槽处设置有用于固定铰销并位于第三安装槽两侧的定位孔28，同时通过与驱动盘螺栓固定的压块将铰销固定于定位孔28中，保证铰销安装方便，利于鳍条式手指1驱动效率高，同步向好，结构简单，安装方便；所述驱动盘2的之间设置有用于安装驱动轴5的连接孔23，连接孔23处设置有连接法兰24，连接法兰上设置有多个法兰孔25，所述驱动盘2和安装座的底部分别还开设有导线穿过的导线过孔26，用于静电吸附电极的导线6穿过。

本实施例中，多个中间横梁硬质板13之间平行设置且当鳍条式手指1竖直时中间横梁硬质板13沿驱动盘2径向由外到内相对于底部横梁硬质板向上倾斜设置，有利于鳍条式手指1对物体实现更好的包覆效果，意味着驱动手指去包覆贴合物体所需要的力会小些，且对于不同体积大小的物体，倾斜角度也会有所不同。

本实施例中，所述两块纵梁柔性板11正面为内宽外窄的等腰梯形板，且底部之间还一体成型设置有底部连接软板17，所述底部连接软板17贴附并固定于底部横梁硬质板12；如图所示，所述底部连接软板17与两块纵梁柔性板11侧面呈三角形，底部连接软板17与底部横梁硬质板12之间粘接固定，利于保证鳍条式手指1驱动和抓取稳定。

本实施例中，所述静电吸附电极包括以鳍条式手指1的抓握面为基底的基底层、绝缘层和置于基底层和绝缘层之间并用于使被吸附物体产生极化电场以进行吸附的梳齿状电极层61，所述基底层和绝缘层材料均为硅橡胶，电极层材料为导电油墨，所述导电油墨为碳黑和硅橡胶按质量比2:8的混合体，保证静电吸附电极不会随着鳍条式手指的弯曲变形而产生裂痕；所述梳齿状电极层通过丝印的方式附在基底层表面，保证静电吸附电极能稳定有效地附在鳍条式手指本体的抓握面上，且抓取效果好，结构简单，制作方便。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：包括软体抓手本体和静电吸附电极，所述静电吸附电极为柔性电极并贴附固定于软体抓手本体的抓握面；所述软体抓手本体为鳍条式抓手。

2.根据权利要求1所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：所述鳍条式抓手包括安装座、安装于安装座上呈环形且均匀间隔分布的多个鳍条式手指和用于驱动鳍条式手指张开及闭合的直线电机；所述鳍条式手指包括两块纵梁柔性板和设置于两块纵梁柔性板之间的底部横梁硬质板，所述两块纵梁柔性板和底部横梁硬质板呈等腰三角形连接，所述两块纵梁柔性板之间中间段沿纵向间隔设置有多个中间横梁硬质板，多个中间横梁硬质板以沿纵向由内到外递减的方式铰接于两块纵梁柔性板之间；所述底部横梁硬质板与安装座铰接，所述直线电机的驱动轴与底部横梁硬质板驱动配合，底部横梁硬质板在驱动轴的驱动下翻转并带动两块纵梁柔性板转动。

3.根据权利要求2所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：所述安装座上固定设置有用于安装鳍条式手指底部横梁硬质板并沿竖向布置的固定块，所述固定块底部形成第一安装槽，所述底部横梁硬质板外侧端适形嵌入第一安装槽内并通过第一铰销铰接，所述底部横梁硬质板内侧端通过连杆与直线电机的驱动轴传动连接实现底部横梁硬质板转动。

4.根据权利要求3所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：所述中间横梁硬质板为矩形板且中间横梁硬质板上位于横向两侧的侧面均设置有接头，接头为四个并分列于中间横梁硬质板的四个角，所述纵梁柔性板一体成型形成与接头分别对应的铰接支耳，所述铰接支耳上开设有与接头对应的铰接孔。

5.根据权利要求4所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：所述鳍条式手指为三个并呈环形均匀间隔分布，还包括与直线电机的驱动轴固定连接的驱动盘，所述连杆的一端嵌入底部横梁硬质板内侧上的第二安装槽中，且通过第二铰销铰接，另一端与驱动盘的径向外侧铰接。

6.根据权利要求2所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：所述驱动盘的外圆沿径向向内凹陷成第三安装槽，所述连杆的端部嵌入第三安装槽内，第三铰销穿过连杆且固定位于安装槽侧面的安装孔中，使连杆铰接于驱动盘。

7.根据权利要求6所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：多个中间横梁硬质板平行设置且中间横梁硬质板相对于底部横梁硬质板沿驱动盘径向由外到内向上倾斜设置。

8.根据权利要求7所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：所述两块纵梁柔性板底部之间还一体成型设置有底部连接软板，所述底部连接软板贴附并固定于底部横梁硬质板。

9.根据权利要求8所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：所述纵梁柔性板为内宽外窄的等腰梯形板。

10.根据权利要求8所述的一种仿鱼鳍结构的静电吸附式软体抓手，其特征在于：所述静电吸附电极包括以鳍条式手指的抓握面为基底的基底层、绝缘层和置于基底层和绝缘层之间并用于使被吸附物体产生极化电场以进行吸附的梳齿状电极层，所述基底层和绝缘层材料均为硅橡胶，电极层材料为导电油墨，所述梳齿状电极层通过丝印的方式附在基底层表面。